侯鈺 郭偉濤

[摘? ? 要]在基于激光追蹤測(cè)量的電氣控制系統(tǒng)研究過(guò)程中，通過(guò)四象限光電傳感器的應(yīng)用，實(shí)時(shí)測(cè)量激光束光斑偏移量，并在可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器中對(duì)輸入的偏移量進(jìn)行處理，同時(shí)與伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合，PID利用工程整定方法進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，能夠滿(mǎn)足激光追蹤測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的快速性、平穩(wěn)性以及實(shí)時(shí)性測(cè)量要求。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)可以證明，此控制系統(tǒng)有著良好的追蹤性能良好，并且運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)。本文應(yīng)基于激光追蹤測(cè)量系統(tǒng)原理的，可用于激光追蹤測(cè)量的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，確?？刂菩盘?hào)的實(shí)時(shí)傳送及精密追蹤能夠最終實(shí)現(xiàn)。

[關(guān)鍵詞]激光追蹤測(cè)量;電氣控制系統(tǒng);PID

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP273;TN249;TM383.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）10–00–03

Research on Electric Control System Based on Laser Tracking Measurement

Hou Yu，Guo Wei-tao

[Abstract]In the research process of the electrical control system based on laser tracking measurement， through the application of the four-quadrant photoelectric sensor， the laser beam spot offset is measured in real time， and the input offset is processed in the programmable multi-axis motion controller At the same time， combined with the servo motor to form a closed-loop system， PID uses engineering tuning methods for effective adjustment， which can meet the rapid， smooth and real-time measurement requirements of the laser tracking measurement system. Correlative tests can prove that this control system has good tracking performance and stable operation. This article should be based on the principle of laser tracking measurement system， which can be used for laser tracking measurement of electrical control system to study， to ensure that the real-time transmission of control signals and precise tracking can be finally realized.

[Keywords]laser tracking measurement; electrical control system; PID

隨著工程測(cè)量技術(shù)及以精密工業(yè)的快速發(fā)展，在汽車(chē)工業(yè)、航天、航空、造船等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)對(duì)測(cè)量精度以及范圍的要求越來(lái)越高，其中基于激光跟蹤測(cè)量的電氣控制系統(tǒng)具有測(cè)量動(dòng)態(tài)性能良好、測(cè)量范圍大以及可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，因此加大此系統(tǒng)的研究力度，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 激光追蹤控制原理概述

激光追蹤控制原理主要為：激光光束從光源發(fā)出并通過(guò)偏振分光鏡處理形成透射光及反射光2種光束，前者為參考光束，后者為測(cè)量光束[1]。后者再經(jīng)過(guò)貓眼反射及分光鏡處理又形成一束穿透PBS的光束，以及經(jīng)過(guò)PBS反射的光束，前者由其所照射的標(biāo)準(zhǔn)球反射后，經(jīng)PBS再次反射，在干涉信息采集系統(tǒng)中此光束與參考光束共同形成了干涉信號(hào)，通過(guò)光電信號(hào)器對(duì)此類(lèi)信號(hào)進(jìn)行接收、處理，并輸入至計(jì)數(shù)系統(tǒng)中對(duì)貓眼移動(dòng)距離進(jìn)行計(jì)算;后者反射至四象限光電傳感器中，通過(guò)傳感器對(duì)貓眼位置移動(dòng)量進(jìn)行感知，一旦貓眼出現(xiàn)移動(dòng)時(shí)，光斑與四象限光電傳感器中心位置出現(xiàn)偏離，并形成位置信號(hào)，PMAC控制器將采集及處理后的信號(hào)對(duì)與兩軸系相連的伺服電機(jī)進(jìn)入控制，使激光光束對(duì)貓眼集位移的有效追蹤測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)。其控制原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

在進(jìn)行追蹤測(cè)量過(guò)程中，電氣控制系統(tǒng)需要對(duì)激光追蹤測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使系統(tǒng)安全性得到有效保障。電氣控制系統(tǒng)主要核心為PMAC控制器，同時(shí)水平軸電機(jī)和垂直軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)由伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，兩者共同構(gòu)成閉環(huán)控制單元。在進(jìn)行光斑偏移量實(shí)時(shí)測(cè)量中，通過(guò)四象限光電傳感器的運(yùn)用，并利用控制器對(duì)偏移量信號(hào)進(jìn)行處理。另外控制系統(tǒng)可借助電子手輪的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)控制的自由切換，在進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行前，對(duì)光斑在傳感器上的位置進(jìn)行調(diào)整，保證其處于傳感器的中心位置。同時(shí)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍利用垂直限位開(kāi)關(guān)和水平限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行有效限定，從而確保追蹤測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。其中電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先需要對(duì)追蹤測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)機(jī)檢測(cè)，確保正常后對(duì)光斑在傳感器中心位置進(jìn)行測(cè)量，如光斑不在中心位置，可利用手輪對(duì)其位置進(jìn)行有效調(diào)整，確保其處于傳感器中心位置，如光斑已處于中心位置，再開(kāi)啟系統(tǒng)對(duì)貓眼進(jìn)行測(cè)量追蹤。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)限位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，如啟動(dòng)限位開(kāi)關(guān)，則追蹤測(cè)量系統(tǒng)停止運(yùn)行。

2.1 控制模塊

在高精度激光追蹤測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用中，需要對(duì)追蹤伺服加強(qiáng)控制，并且其控制性能能夠?qū)ψ粉櫆y(cè)量系統(tǒng)的追蹤精度和速度產(chǎn)生直接影響作用。系統(tǒng)控制單元主要可采用PMAC運(yùn)動(dòng)控制器系列的運(yùn)動(dòng)控制卡[2]。運(yùn)動(dòng)控制卡可對(duì)各類(lèi)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別自動(dòng)判斷，使多任務(wù)實(shí)時(shí)處理得以實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)控制精度及運(yùn)行速度有效提高。目前所采用的四象限光電傳感器對(duì)激光光束偏移量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其感光靈敏度的典型值可達(dá)到0.6 A/W，光敏面面積可達(dá)到9 mm×9 mm。另外系統(tǒng)可利用電子手輪的功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)的控制切換，其功能主要有：對(duì)電機(jī)移動(dòng)方向，以及電機(jī)啟動(dòng)、急停、停止進(jìn)行控制，并對(duì)電機(jī)移動(dòng)速率進(jìn)行調(diào)整。電子手輪與控制卡通過(guò)端口進(jìn)行相連;控制卡與限位開(kāi)關(guān)及伺服驅(qū)動(dòng)模塊利用四通道轉(zhuǎn)接板進(jìn)行邊接，位置信號(hào)經(jīng)過(guò)光電傳感器模塊，利于AD轉(zhuǎn)接板傳輸至控制卡。

2.2 調(diào)節(jié)伺服電機(jī)PID參數(shù)

在追蹤測(cè)量系統(tǒng)中，由于信號(hào)進(jìn)入編碼器，再與指令信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算之間存在延時(shí)，通過(guò)前饋控制的引入，能夠使系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間有效減少，并對(duì)伺服電機(jī)的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，硼保控制效果最佳，并將其在執(zhí)行命令軌跡中加以應(yīng)用，使反饋時(shí)間有效節(jié)約，位置誤差建立可予以忽略，只需要對(duì)此估計(jì)中的誤差予以反饋?？刂瓶≒ID調(diào)節(jié)流程如圖3所示。

如圖3所示，比例增益系數(shù)為Kp，積分增益系數(shù)為Ki，陷波系數(shù)為n1、n2、d1、d2，積分模式為IM，Kd為微分增益系數(shù)，加速度前饋系數(shù)為Kaff，速度前饋系數(shù)為 kVff[3]。其中系統(tǒng)快速性受到比例增益系數(shù)的大小的直接影響，比例增益系數(shù)越大時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度越高、響應(yīng)速度越快，但系數(shù)一旦過(guò)大，會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定性增加，如系數(shù)過(guò)小，會(huì)降低調(diào)節(jié)精度。積分增益系數(shù)可對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)誤差予以消除，此系數(shù)若過(guò)大，會(huì)加大系統(tǒng)振蕩次數(shù);系數(shù)若過(guò)小會(huì)影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。微分增益系數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有改善作用，但如此系數(shù)過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)加大超調(diào)量，造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此需要對(duì)適宜的量值進(jìn)行合理選擇，才能確保最佳過(guò)渡過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。另外速度前饋系數(shù)主要能夠使微分增益或補(bǔ)償電機(jī)環(huán)路阻尼所帶來(lái)的跟隨誤差減少，加速度前饋系數(shù)對(duì)因慣性所帶來(lái)的跟隨誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

3 相關(guān)試驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)追蹤測(cè)量系統(tǒng)展開(kāi)相關(guān)試驗(yàn)，能夠進(jìn)一步對(duì)激光追蹤電氣控制系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。首先對(duì)伺服電機(jī)PID前饋控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保障電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，再通過(guò)追蹤測(cè)量試驗(yàn)的實(shí)施，對(duì)系統(tǒng)追蹤速度和精度進(jìn)行觀察。

3.1 PID調(diào)節(jié)試驗(yàn)

首先通過(guò)閉環(huán)控制伺服電機(jī)的選用，能夠使低速運(yùn)行平穩(wěn)、回轉(zhuǎn)精度高、響應(yīng)速度快、啟動(dòng)電壓低等要求得滿(mǎn)足，PMAC控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效控制，使其能夠準(zhǔn)確、快速地移動(dòng)至目標(biāo)位置。

控制器通過(guò)相關(guān)軟件工具的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)P參數(shù)的有效調(diào)節(jié)，還能對(duì)電機(jī)速度及加速度特性進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)比例增益系數(shù)及微分增益系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使執(zhí)行階躍響應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)，有效提高和保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及高效性。另外系統(tǒng)的阻尼較小或者剛性較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)出現(xiàn)振動(dòng)和超調(diào)現(xiàn)象，可對(duì)參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整，從而使系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

對(duì)階躍響應(yīng)進(jìn)行有效調(diào)整后，對(duì)正弦波響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行觀察，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前饋參數(shù)和積分增益系數(shù)的有效調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)跟隨誤差減少。在追蹤測(cè)量系統(tǒng)伺服電機(jī)正弦波響應(yīng)曲線(xiàn)中，實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)與指令位置曲線(xiàn)之間相近似，如實(shí)際速度曲線(xiàn)出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，則表示電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在震動(dòng)情況，通過(guò)相關(guān)測(cè)試表明，此現(xiàn)象對(duì)電機(jī)跟隨不產(chǎn)生影響。另外跟隨誤差可利用前饋參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在零點(diǎn)處進(jìn)行上下浮動(dòng)[4]。響應(yīng)曲線(xiàn)圖如圖4所示。

3.2 追蹤測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

在直線(xiàn)導(dǎo)軌上，通過(guò)螺旋微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行貓眼安裝，并經(jīng)過(guò)開(kāi)機(jī)檢測(cè)后，確保檢測(cè)無(wú)誤再開(kāi)啟手輪，對(duì)光斑位置進(jìn)行調(diào)整，確保其處于傳感器中心，通過(guò)螺旋微動(dòng)平臺(tái)的控制，使貓眼沿直線(xiàn)導(dǎo)軌進(jìn)行勻速移動(dòng)，同時(shí)追蹤系統(tǒng)對(duì)貓眼移動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，當(dāng)光斑位置再次移動(dòng)對(duì)傳感器中心，則可停止追蹤，對(duì)控制系統(tǒng)的追蹤時(shí)間進(jìn)行記錄。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在貓眼移動(dòng)過(guò)程中，追蹤系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)追蹤，并對(duì)光斑進(jìn)行控制，使其回到傳感器中心的平均時(shí)間為0.259 ms，方差為σ2=3×10-7。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了使目標(biāo)靶鏡的精密追蹤測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)，就基于激光追蹤測(cè)量原理的激光追蹤電氣控制系統(tǒng)加強(qiáng)研究，通過(guò)PMAC控制器對(duì)伺服進(jìn)行有效控制，并對(duì)PID前饋控制加強(qiáng)調(diào)節(jié)，使電機(jī)閉環(huán)控制得以實(shí)現(xiàn)，電機(jī)響應(yīng)速度提高，從而對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行予以保障。另外利用四象限光電傳感器進(jìn)行相關(guān)激光追蹤測(cè)量試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)可以看出，此測(cè)量系統(tǒng)具有追蹤速度較快的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)ω堁垡苿?dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤，并且能夠確保整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的平穩(wěn)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫衍強(qiáng)，陳洪芳，石照耀，等.基于ESO-CPC的激光追蹤測(cè)量系統(tǒng)電機(jī)仿真方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（2）：235-242.

[2] 王巍，周天一，王誠(chéng)鑫.基于激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的翼身對(duì)接技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù)，2018（10）：209-212，226.

[3] 姜博.激光追蹤多站位測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2019.

[4] 陳洪芳，孫衍強(qiáng)，王亞韋，等.高精度激光追蹤測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)激光，2018，45（1）：160-167.